Validación/Calibración de Modelos para Flujos Cavitantes, Aplicación al Diseño en Ingeniería

Abstract

Los flujos cavitantes se corresponden en general a una estructura turbulenta del flujo, combinada con una estructura bifásica (líquido-vapor) cuando la presión del líquido disminuye hasta su presión de vapor. Esta disminución de la presión de vapor puede deberse a diversos factores relacionados con la hidrodinámica del flujo y las propiedades físicas del fluido pudiendo presentar diferentes características. La aparición y el posterior colapso de cavidades de vapor cerca de paredes sólidas, generan pulsos de presión de alta frecuencia que ocasionan la falla por fatiga del material sólido, y pérdida de rendimiento y daño mecánico en turbomáquina.
Experimentos que identifican el patrón de flujos cavitantes muestran que el estado de cavitación desarrollada puede tener diferentes estructuras tanto estadísticamente estacionarias (attached cavities) como no estacionarias (del tipo periódica, i.e., evolving cavity due to a reentrant jet), siendo algunas de ellas más agresivas desde el punto de vista del daño ocasionado por cavitación. Existen también montajes experimentales orientados a estudios que implican la búsqueda y/o desarrollo de materiales resistentes al daño por cavitación, pero su alto costo de montaje y operación, es de interés identificar mediante CFD (Computational Fluids Dynamics) las estructuras presentes en un flujo cavitante, de cara a la posterior evaluación del daño en materiales en la etapa de diseño (ej.: diseño de turbomáquinas, inyectores de fuel, etc) identificando las zonas de vaporización/colapso de las burbujas. Este tipo de flujo muestra una gran complejidad en su modelado, debido a su estado bifásico y turbulento del flujo.
Dentro de los paquetes de software CFD comerciales o "in house" existen varios modelos de cavitación, pero es una discusión abierta, su posible aplicación al diseño en ingeniería debido a los numerosos parámetros en juego que en general no están suficientemente calibrados y a que la validación de estos modelos no es extensiva. En este trabajo se continúa con trabajos de calibración/validación, presentando resultados obtenidos mediante CFD del flujo cavitante en el interior de Venturis en donde se producen tanto cavidades del tipo sheet attached cavity como del tipo evolving sheet cavity/reentrant jet. La calibración/validación se hizo comparando resultados CFD (geometrías de dos dimensiones o 2D y de tres dimensiones o 3D) con datos experimentales (perfiles de velocidad dentro y fuera de la cavidad, longitud de la cavidad, fracción de vapor en la cavidad y tipo de cavidad en función del contenido de vapor dentro del fluido). Se discutirán conclusiones obtenidas de cara a futuras aplicaciones en el diseño de turbomaquinaria.